CN212228727U

CN212228727U - 一种水质在线监测系统

Info

Publication number: CN212228727U
Application number: CN202021901293.8U
Authority: CN
Inventors: 徐铭泽; 张庆军
Original assignee: Shenyang Agricultural University
Current assignee: Shenyang Agricultural University
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2020-12-25
Anticipated expiration: 2030-09-03

Abstract

本实用新型提供一种水质在线监测系统，包括：采集水质信息的物联感知系统、分析系统以及远传和监控系统；所述物联感知系统包含：温度传感器、流量传感器、全光谱水质传感器以及A/D转换器；所述全光谱水质传感器包括：全光谱探头，所述全光谱探头包括电源、氙灯光源、超声清洗、进样槽、光源陈列器、光谱检测模块、预留传感器节点。本实用新型具有以下优点：免试剂、无二次污染，节省了药剂费；同时实现多参数测定，大大降低了传统分体式监测系统所需高昂的设备费用；自清洗，免维护、运行操作简便、使用寿命长，降低了运行维护成本。

Description

一种水质在线监测系统

技术领域

本实用新型涉及水质在线监测技术领域，具体而言，尤其涉及一种水质在线监测系统。

背景技术

随着科学技术水平的进步，水质在线监测技术得到了较大的发展，但环境监测要求随着环境保护行业尤其是智慧水务的发展而不断提高。为贯彻《中华人民共和国环境保护法》，规范生态环境监测工作，2020年3月实施了《污水监测技术规范》等十一项国家环境保护标准，以及水十条对智慧水务、村镇污水治理等发展要求，为在线监测系统提供了广阔的市场空间。

传统监测方法主要都是以投药为测量方法，且每个指标需要单独的仪器实现，分析仪器造价、药物成本、人工维护费用高，且会造成二次污染，因此传统比色法的技术已经越来越不能满足智慧环保行业的需求。新形势下全光谱技术被认为是目前最具开发意义及价值的新型水质在线监测技术之一，该技术是基于朗伯—比尔定律，再利用一定波长范围内的吸光度与水质参数之间的关系建立模型，然后把被测溶液相应波长范围内的吸光度情况带入模型，反演得到水质参数值。这种免试剂、免维护、同时实现多参数测定的全光谱设备需求会逐渐加大，基于全光谱技术的智慧型在线监测系统逐渐得到市场的认可和研究者的青睐。

基于全光谱的智慧型在线监测技术在国内发展较慢，国内对于水质在线监测的研究工作相比国外起步较晚，产品在数据处理、智慧性、稳定性、分析精度以及使用寿命等方面与国外同行相比仍有较大发展空间。因此亟待开发一种可靠、经济、智慧的水质在线监测系统，对城市水域水质指标进行自动监测和评价，为环境保护提供科学、智慧的大数据支撑，提高环保和相关职能部门的工作效率和监管能力，最终达到智慧环保的目的。

实用新型内容

本实用新型目的在于克服传统在线监测系统仪器造价、药物成本、人工维护费用高，且会造成二次污染等问题，提供一种可靠、经济、智慧的水质在线监测系统。一种智慧型水质在线监测系统主要包括物联感知系统、智慧分析系统、远传和监控系统，该系统采用了数字信号处理技术、无线通信技术、数据库管理技术等，实现城市水质在线监测仪器设备的远程管理和控制，并通过数学模型的建立反演测试指标，同时具有水质监测数据的显示、编辑、打印、查询、统计、分析、告警、存储和传输等功能。

本实用新型采用的技术手段如下：一种水质在线监测系统，其特征在于，包括：采集水质信息的物联感知系统、分析系统以及远传和监控系统；

所述物联感知系统包含：温度传感器、流量传感器、全光谱水质传感器以及A/D转换器；所述全光谱水质传感器包括：全光谱探头，所述全光谱探头包括电源、氙灯光源、超声清洗、进样槽、光源陈列器、光谱检测模块、预留传感器节点；所述分析系统包括：分析仪器、数据校准输出端、信息采集输入端、自动清洗信号输出端、存储器、CPU处理器、可编辑显示器、工具箱、直流电源；所述远传和监控系统包括：通讯器、通信模块、监控终端及远程监控中心系统。

进一步地，所述全光谱探头浸入待监测水样中，所述氙灯光源发射测量光束经过取样槽，光束形成穿透所述待监测水样的测量光束及不穿透水样的参比光束；经过A/D转换器完成模拟数字转换和A/D放大并将光谱传送至微处理器中进行运算分析。

更进一步地，所述CPU处理器连接储存模块、显示模块、报警模块、无线通信模块、继电器，通信模块与监控中心通过无线连接，用于监控多个监测系统；远传和监控系统包括通讯器、通信模块、监控终端及远程监控中心系统，监测终端可自动或根据网关节点的命令进行水质信息采集，并将水质信息上传至网关节点，在传输之前进行去噪处理，监测网关节点将水质信息通过TCP/IP将数据上传到远程监测模块的云数据库中，通过手机APP及网络地址随时进入该数据监测平台，同时也能够通过云端互联模块接收来自远程监控中心的指令。

进一步地，所述氙灯光源发射测量光束波长为200～750nm。

较现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)免试剂、无二次污染，节省了药剂费；同时实现多参数测定，大大降低了传统分体式监测系统所需高昂的设备费用；自清洗，免维护、运行操作简便、使用寿命长，降低了运行维护成本；

2)在较大的光谱测量范围内获取水质监测光谱信号，建立可供对比的数据分析库，抗干扰能力强，准确性高；在线监测技术可实现多组同时监测的目标，具有较强的数据对比性，为智慧水务提供科学智慧的大数据支撑；

3)自动化程度高、PLC全自动控制，可以实现无人值守并连续运行，设备操作运行简便。真正向高效、全方位、无污染、网络化的方向发展，实现水质在线监测技术的高效、便捷、环保、智慧等目标。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型在线监测系统结构功能框图。

图2为本实用新型水质在线监测装置结构图。

其中，1、全光谱智慧探头；11、电源；12、氙灯光源；13、超声清洗；14、进样槽；15、光源陈列器；16、光谱检测模块；17、预留传感器节点；2、分析仪；21、数据校准输出端；22、信息采集输入端；23、自动清洗信号输出端；24、存储器；25、CPU处理器；26、可编辑显示器；27、工具箱；28、直流电源；3、通讯器；31、通信模块。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1-2所示，本实用新型提供了一种水质在线监测系统，包括：采集水质信息的物联感知系统、分析系统以及远传和监控系统；

所述物联感知系统包含：温度传感器、流量传感器、全光谱水质传感器以及A/D转换器；

所述全光谱水质传感器包括：全光谱探头1，所述全光谱探头包括电源11、氙灯光源12、超声清洗13、进样槽14、光源陈列器15、光谱检测模块16、预留传感器节点17；

所述分析系统包括：分析仪器2、数据校准输出端21、信息采集输入端22、自动清洗信号输出端23、存储器24、CPU处理器25、可编辑显示器26、工具箱27、直流电源28；

所述远传和监控系统包括：通讯器3、通信模块31、监控终端及远程监控中心系统。

测量光束穿透水样至光源接收装置，色散后经过成像反射镜将光谱呈现在陈列光度器探测阵列的接收面上，形成的光谱谱面使每一个光谱都照射到相对应探测器的像元上，该阵列光度器会测量高分辨率不同波长光谱，一次性将对应探测器像元上的光信号转换成电子信号，并经过A/D转换器完成模拟数字转换和A/D放大，最终将该光谱传送至微处理器中进行运算分析；不穿透光束通过光传感器检测参比光速强度。

作为一种优选的，在本申请中还包含一种水质在线监测系统的一种水质在线监测方法，包括以下步骤：

步骤S1：将所述全光谱探头浸入待监测水样中，所述氙灯光源12发射测量光束波长为200～750nm，经过取样槽，光束形成穿透所述待监测水样的测量光束及不穿透水样的参比光束；经过A/D转换器完成模拟数字转换和A/D放大并将光谱传送至微处理器中进行运算分析；

步骤S2：所述CPU处理器25通过比尔定律及多成分定量分析进行运算分析；根据不同物质对应着不同的特征吸收光谱及吸光度所具有的相加性，所述CPU微处理器25将要测量的有机物浓度联立方程，计算水质参数；

步骤S3：所述存储器储存所述水质参数的有机物质光波长吸光度及修正加权参数数据；通过所述CPU处理器将所述步骤S2获取的污水数据信息结合存储器存储数据和预设水污染指标数据进行智慧分析；

通过人工神经网络模拟生物神经元信息传递和处理的方式进行大数据处理，建立全波段吸收光谱自学习解算模型，对测试参数作出数值补偿，进而得出所述水质参数；

步骤S4：所述CPU处理器连接储存模块、显示模块、报警模块、无线通信模块、继电器，通信模块与监控中心通过无线连接，用于监控多个监测系统；远传和监控系统包括通讯器、通信模块、监控终端及远程监控中心系统，监测终端可自动或根据网关节点的命令进行水质信息采集，并将水质信息上传至网关节点，在传输之前进行去噪处理，监测网关节点将水质信息通过TCP/IP将数据上传到远程监测模块的云数据库中，通过手机APP及网络地址随时进入该数据监测平台，同时也能够通过云端互联模块接收来自远程监控中心的指令；

步骤S5：用户通过授权码可以进入监测数据平台，以报表和动态曲线两种方式获取实时信息；监测平台具有可编辑页面用于标准值设定，当水的参数超过阈值时，平台将发出警告提示，并及时对监测站点管理人员发出停止污水排放等紧急调度指令，避免对环境造成污染。

在本申请中，所述吸光度具有相加性，多种吸收物质的混合物对某一波长处的总吸光度等于各组份在对应波长处吸光度的算术和：

其中，Au表示某一特定波长处的总吸光度，Ai表示第i种物质在该特定波长处的吸光度；n表示对该特定波长具有吸光度的物质种类；Ki、Ci、分别表示第i种物质的光吸收比例及物质浓度。

实施例1

水质在线监测系统，智慧探头直径54mm、长度480mm，采用超声自清洗系统，一体化设计，配套监测设备箱尺寸600mm×600mm×300mm，可以同时接四支传感器。可测参数及范围为pH0～14、流量0.1m³/h-99999.99m³/h、温度-40-80℃、COD 0～4000mg/L、TN 0～300mg/L、氨氮0～100mg/L、TP 0～30mg/L、浊度/SS 0～5000NTU。监测网关在采用监测终端无线传输模块的基础上增加4G/GPRS模块，放置在有广域网覆盖的区域，保持与远程监控中心进行通信，远程监控中心采用完全IP视频监控系统。

表1主要设计参数

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本实用新型的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种水质在线监测系统，其特征在于，包括：采集水质信息的物联感知系统、分析系统以及远传和监控系统；

所述全光谱水质传感器包括：全光谱探头(1)，所述全光谱探头包括电源(11)、氙灯光源(12)、超声清洗(13)、进样槽(14)、光源陈列器(15)、光谱检测模块(16)、预留传感器节点(17)；

所述分析系统包括：分析仪器(2)、数据校准输出端(21)、信息采集输入端(22)、自动清洗信号输出端(23)、存储器(24)、CPU处理器(25)、可编辑显示器(26)、工具箱(27)、直流电源(28)；

所述远传和监控系统包括：通讯器(3)、通信模块(31)、监控终端及远程监控中心系统。

2.根据权利要求1所述的一种水质在线监测系统，其特征在于，

所述全光谱探头浸入待监测水样中，所述氙灯光源(12)发射测量光束经过取样槽，光束形成穿透所述待监测水样的测量光束及不穿透水样的参比光束；经过A/D转换器完成模拟数字转换和A/D放大并将光谱传送至微处理器中进行运算分析。

3.根据权利要求1所述的一种水质在线监测系统，其特征在于，

所述CPU处理器连接储存模块、显示模块、报警模块、无线通信模块、继电器，通信模块与监控中心通过无线连接，用于监控多个监测系统；远传和监控系统包括通讯器、通信模块、监控终端及远程监控中心系统，监测终端可自动或根据网关节点的命令进行水质信息采集，并将水质信息上传至网关节点，在传输之前进行去噪处理，监测网关节点将水质信息通过TCP/IP将数据上传到远程监测模块的云数据库中，通过手机APP及网络地址随时进入该数据监测平台，同时也能够通过云端互联模块接收来自远程监控中心的指令。

4.根据权利要求1所述的一种水质在线监测系统，其特征在于，

所述氙灯光源(12)发射测量光束波长为200～750nm。